«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

Разные механики микромира — матричная и волновая — механика прерывности и механика непрерывности

Обычно, когда в естествознании появлялись две теории «про одно и то же», какая-нибудь из них непременно побеждала другую. Сразу или в долгой борьбе ей, победительнице, удавалось, хотя бы на время, доказать, что она полней и надежней отражает реальность. На ее сторону становился опыт!

Так два века с переменным успехом боролись две теории света — корпускулярная и волновая. Ни в XVIII, ни в XIX столетиях не признавалось, что обе могут оказаться справедливыми одновременно.

Когда в 1925—1926 годах появились две разные механики микромира — матричная и волновая — «механика прерывности» и «механика непрерывности», в физике возникло, казалось бы, абсурдное, единственное в своем роде положение. Теории были противоположны, а опыт тотчас стал на сторону обеих!

Расчисленный по законам механики Шредингера и рассчитанный по правилам механики Гейзенберга водородный атом был совершенно таким, каким его уже знали во многих деталях физики-экспериментаторы и прежде всего — спектроскописты. И такое согласие предсказаний обеих механик с лабораторными сведениями о микромире было всегда одинаковым: обе давали один и тот же ответ на одни и те же вопросы. Словом, природа не только не отмолчалась, но во-, преки привычным ожиданиям ученых в равных объемах подтвердила правоту двух взаимно враждующих точек зрения.

В равных объемах! — это очень важно. Ведь любая физическая теория — лишь приближение к действительности. Большее или меньшее. Из двух теорий «про одно и то же» более точная и тонкая еще говорит о природе правду, когда другая уже начинает врать. Так о движениях с малыми скоростями законы Ньютона и законы Эйнштейна рассказывают одно и то же, но о движениях быстрых ньютоновы формулы дают уже совершенно ложное представление хотя бы потому, что не считаются с изменением массы от скорости. Тут классические предсказания не сбываются.

Не было бы ничего удивительного, если бы две механики микромира оказались обе справедливыми, но в разных объемах. Это значило бы только, что одна точнее другой, то есть тоньше и глубже отражает микродействительность. Тогда необычным было бы лишь то, что они появились на свет одновременно: как правило, нужен немалый срок и горы новых исследований, чтобы более грубая теория сменилась более тонкой.

Но «чудо 1926 года» в том и состояло, что столь несхожие между собой по духу и по математической форме две механики микромира обнаружили свою истинность в равных объемах. Не было такого микрособытия, которое волновая механика в принципе могла бы описать, а матричная — нет.

Или—наоборот. Обе работали, или обе пасовали. Иными словами, обе давали одинаковое приближение к реальности. Обе равно хорошо служили познанию атомного мира, совершенно независимо от односторонних страстей, которые обуревали их создателей. (Так хорошие часы разных систем с одинаковой точностью исправно показывают, который час, независимо от того, что думали о природе Времени сработавшие их мастера.)

...Теперь я вижу, что поступил опрометчиво. Надо было из этого «чуда 1926 года» сделать интригующую тайну, а потом вместе с тобою, читатель, доискиваться ее корня. Вот так из таинственного факта, что свет нельзя остановить, из достоверной энциклопедической справки, что масса частицы света в покое была бы равна нулю, мы вытянули, как шприцем из ампулы, основное содержание физических идей теории относительности. И вынуждены — именно вынуждены! — были согласиться, что природа устроена очень странно: в ней есть предельная скорость, а безотносительного времени, так же как и абсолютного пространства, нет; в ней масса тел зависит от их скорости и энергия во всякой форме обладает массой.

Может быть, лучше было бы нам и сейчас двигаться таким же путем: начать с исторической справки об удивительном совпадении механики частиц и механики волн, механики прерывности и механики непрерывности, а затем приняться за логическое распутывание этой «нелепости». Тогда странная картина микромира, как мира несуществующих траекторий, возникла бы перед нами быстрее и с логической неизбежностью.

Вот схема пути, который мы бы прошли...

Таинственный факт совпадения несовместимых механик обязательно привел бы нас к железному выводу, что в самом микромире каким-то образом совмещаются такие несовместимые вещи, как частицы и волны, прерывность и непрерывность событий.

Не осталось бы даже такой утешающей возможности, как предположить, что частицами там являются одни детальки микромира, а волнами — другие. Не осталось бы и такой надежды, как решить, что прерывными или непрерывными тамошние события выглядят в зависимости «от точки зрения» — от глубины проникновения в их суть. Тогда две механики вовсе не совпадали бы: они рассказывали бы каждая свою правду — правду о разных вещах и в разных объемах. В общем принудительная логика заставила бы нас сделаться такими же бесстрашно-проницательными, как Эйнштейн и де Бройль. Мы сами заговорили бы о волнообразное корпускул или о корпускулярности волн — о странных микрокентаврах, как о единственно возможных обитателях микромира.

Конечно, наше воображение тут же взбунтовалось бы: как ему соединить в одном образе твердую неизменяемость частиц с гибкой изменчивостью волн? Но перед лицом логической необходимости бедному воображению пришлось бы в конце концов сдаться. А потом и неоценимо помочь нам!

Оно ведь отказалось бы дать и наглядную картину движения непредставимых микрокентавров. И вправду: атомный электрон, как частица, мог бы в каждый момент быть привязан к определенной точке пространства и двигался бы от этой точки в определенном направлении с определенной скоростью. Для электрона-частицы боровокие орбиты были бы совершенно реальны. Но электрон, как волна, не может быть сосредоточен в одной точке ни в данный момент, ни в следующий и ни в какой другой: волнообразность электрона заставляет его, подобно музыке в зале, каким-то образом заливать собою все пространство атома. А с внеатомным — свободным! — электроном воображению справиться было бы еще несравненно труднее: как частица он должен где-то пребывать, но как свободная волна почему бы не мог он размазаться по всему безграничному пространству?

Разумеется, и материальная точка и безграничная волна — математические абстракции. Их не найти в природе. Но они и образы реального: они рождены обобщением невыдуманного физического опыта. И ведь не оскорбляется же наше «чувство реальности» рисунками солнечной системы, где центры тяжести планет изображены точками, описывающими эллипсы вокруг Солнца, которое тоже принимается за материальную точку?! Наше воображений^ легко мирится с любыми абстракциями, когда чувствует или знает их реальную основу. Но с образом «частица-волна» оно не может смириться потому, что никогда не соприкасалось ни с чем, что могло бы послужить этому образу реальной первоосновой. Отдельно — волна и отдельно — частица, пожалуйста. Но вместе?!

По этой же Причине воображение не в силах нарисовать такого кентавра в движении. Двигаться подобно классической частице —от определенной точки к строго определенной соседней точке со строго определенной скоростью — электрону мешает его волнообразность, а двигаться подобно волне, — свободно распространяясь по всему доступному простран-* ству, — ему мешает корпускулярность.

Вот этим-то отказом наглядно представить себе движение микрокентавров воображение сослужило бы нам неоценимую службу на нашем пути от «чуда 1926 года» к его корням: стал бы сразу неизбежным логический вывод — в микромире классических траекторий нет!

Так, отправляясь от факта совпадения двух противоположных механик микромира, мы действительно довольно быстро пришли бы к тому, к чему вела нас долгая дорога. Но, выиграв в пути, мы проиграли бы во впечатлениях, как торопливые туристы, выбирающие кратчайший маршрут. (А по условию эта книга продолжает оставаться чем-то вроде путевых заметок.) Так что повторять логический эксперимент с фотоном, пожалуй, не стоило.

Теперь надо развязаться с «чудом 1926 года», чтобы увидеть, наконец, подстерегавшую физиков крутизну.

Прежде всего ясно, что чуда не было: образ «частицы-волны» появился до Гейзенберга и Шредингера. Если только он соответствовал правде природы, механики должны были совпасть. Этого не могло не случиться: ведь опорой обеим теориям служила одна и та же микродействительность. Обе теории пытались объяснить опытные данные, а эти причудливые данные были такими, какими они были: с фактами никакие односторонние пристрастия поделать ничего не могут.

Механики совпадали при проверке делом. Казалось бы, что еще нужно? Но нет, теоретикам этого, конечно, было мало. Они не слишком доверчивы: а вдруг найдутся в будущем атомные загадки, при решении которых обнаружится расхождение обеих теорий?

В том же 1926 году было проведено строгое математическое доказательство неосновательности таких подозрений. Попросту было показано, — и это сделал Щредингер, — что микромеханика волн и микромеханика частиц могут как бы поменяться своими математическими аппаратами. Они — запись одних и тех же закономерностей на разных математических наречиях единого физического языка природы. Они — описание атомного карнавала, на котором подлинные лица и маски неразличимы, оттого что участники маскарада сами по себе двулики.